Será que a matéria escura em decomposição ajudou a criar os primeiros buracos negros supermassivos do universo?

"Com o Telescópio Espacial James Webb revelando agora mais buracos negros supermassivos no início do universo, esse mecanismo pode ajudar a preencher a lacuna entre a teoria e a observação." 

Ilustração de um buraco negro supermassivo contra um fundo de matéria escura. (Crédito da imagem: Robert Lea (criada com Canva)) 

Uma nova pesquisa sugere que buracos negros supermassivos que existiam antes de o cosmos ter 1 bilhão de anos podem ter se formado com a ajuda da matéria escura, a substância mais misteriosa do universo.

Desde que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) começou a enviar dados para a Terra no verão de 2022, ele tem apresentado um problema curioso aos cientistas: a descoberta de buracos negros supermassivos já 500 milhões de anos após o Big Bang. Isso, no entanto, é um problema, pois os processos de fusão e alimentação que permitem que os buracos negros atinjam massas milhões de bilhões de vezes maiores que a do Sol deveriam levar pelo menos 1 bilhão de anos para se concretizarem.

Por isso, os cientistas têm buscado avidamente um mecanismo de crescimento que explique como buracos negros supermassivos puderam existir tão cedo no universo. Agora, uma equipe de pesquisadores teoriza que esses titãs cósmicos podem ter surgido antes do tempo, graças a mudanças feitas nas galáxias pela energia liberada pelo decaimento da matéria escura .

Um mecanismo sugerido para o crescimento inicial de buracos negros é o colapso direto de vastas nuvens de gás e poeira para formar imediatamente um buraco negro inicial, sem o tempo necessário para que uma estrela massiva nasça, complete sua vida e morra.

No entanto, esse processo ainda exigiria estrelas brilhando sobre essas nuvens de matéria, fornecendo-lhes energia — mas isso é raro. Raro demais para explicar a abundância de buracos negros supermassivos primitivos observados pelo JWST. A menos que haja outra fonte de energia para auxiliar esse processo.

"Nosso estudo sugere que a matéria escura em decomposição pode remodelar profundamente a evolução das primeiras estrelas e galáxias, com efeitos generalizados em todo o universo", disse o líder da equipe, Yash Aggarwal, da Universidade da Califórnia, Riverside, em um comunicado . "Com o JWST agora revelando mais buracos negros supermassivos no universo primordial, esse mecanismo pode ajudar a preencher a lacuna entre a teoria e a observação."

A matéria escura se decompõe?

A matéria escura é a substância misteriosa que compõe 85% da matéria do cosmos. Ela permanece intrigante porque não interage com a luz (mais precisamente, com a radiação eletromagnética). Isso não só a torna praticamente invisível, como também indica aos cientistas que a matéria escura não pode ser composta por elétrons, nêutrons e prótons, as partículas que compõem os átomos que formam estrelas, planetas, luas, nossos corpos e tudo o que vemos ao nosso redor.

Isso impulsionou a busca por partículas além do Modelo Padrão da física de partículas. Essas partículas hipotéticas possuem uma gama de massas e propriedades possíveis. Isso inclui algumas que atravessam umas às outras como fantasmas, algumas que interagem entre si, trocando energia, e outras que se decompõem em partículas menores, liberando uma pequena quantidade de energia no processo.

Uma ilustração mostra um buraco negro de colapso direto se formando no núcleo de um Pequeno Ponto Vermelho.(Crédito da imagem: Robert Lea (criada com Canva))

Aggarwal e seu colega da UCR, Flip Tanedo, acreditam que bastaria uma energia equivalente a um bilionésimo de trilionésimo da energia de uma única pilha AA para "supercarregar" nuvens de gás primordiais, sendo que o decaimento da matéria escura seria capaz de fornecer essa energia.

"As primeiras galáxias são essencialmente bolas de gás hidrogênio puro, cuja composição química é incrivelmente sensível à injeção de energia em escala atômica", disse Tanedo. "Essas são as propriedades que buscamos em um detector de matéria escura — a assinatura desses 'detectores' pode ser os buracos negros supermassivos que observamos hoje."

O trabalho da equipe também permitiu que eles determinassem uma faixa hipotética de massa entre 24 e 27 elétron-volts para partículas de matéria escura capazes de desencadear a criação de buracos negros de colapso direto, o que poderia impulsionar o crescimento de buracos negros supermassivos. A conclusão da equipe deriva de uma série de coincidências muito felizes que os ajudaram a reunir a combinação certa de físicos de partículas, cosmólogos e astrofísicos para formular uma teoria da coincidência cósmica.

"Mostramos que o ambiente certo de matéria escura pode ajudar a tornar a 'coincidência' de buracos negros de colapso direto muito mais provável", disse Tanedo. "Da mesma forma, o apoio ao trabalho interdisciplinar ajudou a tornar possível a 'coincidência' que levou a este trabalho."

Space.com